(57)【要約】【課題】  回転基板上の幅広い半径位置に亘って所望の光学膜厚分布を有する薄膜フィルターを製造することができる薄膜フィルター製造方法および装置を提供する。高性能の薄膜固定フィルターおよび薄膜波長可変フィルターを提供する。【解決手段】  白色光源と分光器、もしくは波長可変光源とパワーメーターを具備し、回転基板の異なる２ヵ所以上の半径位置に光ビームを分岐し、透過させる光学機構を具備し、光ビームの光量から基板上の半径方向の蒸着速度および屈折率を算出する手段を具備し、基板上の蒸着速度分布乃至は屈折率分布を制御することを特徴とする薄膜フィルター製造方法および装置を提供する。【選択図】        図５
2005121699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転基板上に形成する膜の異なる２ヵ所以上の半径位置に、白色光ビーム或いは特定波長光を分岐投光して透過させる光学機構、前記膜の透過光によって特定波長の光量を検知する手段を具備し、前記光量に基づいて前記膜の蒸着速度若しくは屈折率の少なくとも一つを算出する手段を具備し、蒸着速度分布若しくは屈折率分布の少なくとも一つを制御することを特徴とする薄膜フィルターの製造方法。
【請求項２】
請求項１の薄膜フィルターの製造方法において、２ヵ所以上の半径位置で常時光ビームの光量を計測し、各半径位置の光量から蒸着速度および屈折率を算出し、蒸着速度差および屈折率差を減少するように基板上の半径方向の蒸着速度分布および屈折率分布を制御することにより薄膜固定フィルターを形成することを特徴とする薄膜フィルターの製造方法。
【請求項３】
請求項２の薄膜フィルターの製造方法において、２ヵ所の半径位置における光ビームの波長を所望の波長差を持つ異なる値とし、前記２ヵ所における蒸着速度と屈折率の積の比が前記２ヵ所の波長比と同等になるように蒸着速度分布および屈折率分布を制御することにより、波長の異なる複数の種類の薄膜固定フィルターを一度に形成することを特徴とする薄膜フィルターの製造方法。
【請求項４】
請求項２の薄膜フィルターの製造方法において、２ヵ所の半径位置における光ビームの波長を所望の波長差を持つ異なる値とし、前記２ヵ所における蒸着速度と屈折率の積の比が前記２ヵ所の波長比と同等になるように蒸着速度分布および屈折率分布を制御することにより、波長可変フィルターを形成することを特徴とする薄膜フィルターの製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の薄膜フィルターの製造方法において、光ビームの光量から蒸着速度および屈折率を算出する方法が、理論式に基づき、透過光量を与える蒸着速度および屈折率を常時フィッティング法で計算することにより求めることを特徴とする薄膜フィルターの製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の薄膜フィルターの製造方法において、基板上の半径方向の蒸着速度分布を制御する方法が膜厚分布補正板の開口率を変化させる方法、イオンガンのイオン電流を変化させる方法、または電子銃のエミッション電流を変化させる方法から選ばれる少なくとも１種の方法であることを特徴とする薄膜フィルターの製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかに記載の薄膜フィルターの製造方法において、基板上の半径方向の屈折率分布を制御する方法がイオンガンのビーム電圧を変化させる方法、若しくは酸素分圧を変化させる方法から選ばれる少なくとも１種の方法であることを特徴とする薄膜フィルターの製造方法。
【請求項８】
複数の高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層した誘電体多層膜を備える多層膜光学フィルターであって、寸法が１．５×１．５×１．５ｍｍ以下であり、１００ＧＨｚ対応のピーク挿入損失が０．１ｄＢ以下、リップルが０．１ｄＢ以下、パスバンドが−０．５ｄＢで０．６ｎｍ以上あることを特徴とする薄膜固定フィルター。
【請求項９】
膜厚を傾斜させて成膜した誘電体多層膜を有する波長可変フィルターであって、寸法が１０×３０×５．０ｍｍ以下であり、１００ＧＨｚ対応のパスバンドが−０．５ｄＢで０．４ｎｍ以上あることを特徴とする波長可変フィルター。
【請求項１０】
複数の高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層した誘電体多層膜を備える多層膜光学フィルターであって、寸法が２．４×２．４×２．４ｍｍ以下であり、、５０ＧＨｚ対応のピーク挿入損失が０．１ｄＢ以下、リップルが０．１ｄＢ以下、パスバンドが−０．５ｄＢで０．２８ｎｍ以上あることを特徴とする薄膜固定フィルター。
【請求項１１】
膜厚を傾斜させて成膜した誘電体多層膜を有する波長可変フィルターであって、寸法が１０×３０×５．０ｍｍ以下であり、、５０ＧＨｚ対応のパスバンドが−０．５ｄＢで０．２ｎｍ以上あることを特徴とする波長可変フィルター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信システム等で使用される誘電体薄膜フィルターおよびその製造方法に関する。さらに詳しくは薄膜固定フィルターおよび薄膜波長可変フィルターに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の高速通信網の整備にともなって、高速で大量の情報が伝送されるようになってきた。これを可能にする方法の一つとして波長多重光通信システム（ＤＷＤＭ：Dense  Wavelength  Division  Multiplexing）の開発が盛んに行われている。この波長多重光通信システムでは1本のグラスファイバーに複数の波長の光信号を重ねて伝送するものであり、このためにはグラスファイバーの前後に光合分波器を接続することが必要になる。本発明の誘電体薄膜フィルターは光合分波器を構成する狭帯域フィルター（ＮＢＰＦ：Narrow  Band  Pass  Filter）を始め、光通信システムで使用される種々の薄膜固定フィルターとして使用されるものである。一方、波長多重光通信システムでは1本のグラスファイバーから所望の波長の光信号を取り出したり、追加したりするためにOptical  Add  &  Drop  Multiplexing（ＯＡＤＭ）が必要とされる。このとき、従来は所望の波長の光信号の取り出しや追加にはセンター波長の決まった固定フィルターが使用されていた。薄膜波長可変フィルターも狭帯域フィルターの一種であるが、センター波長が可変となっている点が固定フィルターと異なる。センター波長が可変となることにより少数の波長可変フィルターを設けることにより、必要な波長の光だけに対して自由に光通信経路の変更ができるようになる（Reconfigurable  ＯＡＤＭ）。また、波長可変フィルターはＯＡＤＭ用途以外にも、波長を選択的に取り出すことができることから光解析器や光信号モニターに広く使用される。また、最近ではバイオメディカル分野への応用研究も活発化している。
【０００３】
これらの薄膜フィルターはガラス基板上に高屈折率の誘電体膜と低屈折率の誘電体膜を交互に積層することにより数十層から三百層に及ぶ多層膜を形成し、その膜厚は数十μｍに達する。薄膜フィルターの構造例としては固定フィルターの例がある（例えば、特許文献１）。また、波長可変フィルターについてはその膜構造の例がある（例えば、特許文献２、特許文献３）。薄膜フィルターの基本的な構造は所望のセンター波長をもたせるために、光学膜厚がセンター波長の１／４波長の高屈折率誘電体層と、光学膜厚が１／４波長の低屈折率誘電体層を交互に積層したミラー層、および光学膜厚がセンター波長の１／２波長もしくはその整数倍のスペーサー層、および成膜基板、および反射防止膜から構成される。波長可変フィルターも基本的には固定フィルターと同様な膜構成になるが、膜厚がフィルター面内で変化する膜厚傾斜型のフィルターになっている点が異なる。薄膜フィルターを構成する各層の膜は１／１０，０００から１／１００，０００の膜厚精度が要求され、これらの層の膜厚や組合わせを薄膜フィルターの仕様に合せて調整することにより所望のセンター波長や急峻な裾野を持つ薄膜フィルターを作製することができる。
【０００４】
所望のセンター波長を持つ多層膜光学フィルターの一般的な作製方法は所望の波長の光を成膜中の基板に透過させ、透過光量をモニターしながら膜厚を判定して蒸着原料を交換しながら多層膜を形成する。このとき、透過光量は膜厚増加に伴って増減を繰り返すことが知られており、光量の増減は光学膜厚が１／４波長毎に生ずる。例えば、光学式の膜厚モニターに関するもので、透過率または反射率がピークを越えたとき蒸発を停止する方法がある（特許文献４）。これにより、１／４波長の光学膜厚を持つ膜を成膜することが可能になる。また、他の方法としては、光量のピークを予想するカーブフィッティングのソフトウエアを用いて正確にピークを検出し、成膜材料の切り替えを行うものも提案されている。
【０００５】
一般的な誘電体多層膜の成膜方法にはイオンアシスト蒸着法が採用されている。イオンアシスト蒸着法では前述の誘電体多層膜を構成する高屈折率材料および低屈折率材料をＥＢガン（電子銃）を用いて交互に蒸発させ、上記基板に成膜させる。このとき、同時にイオンガンを用いて酸素もしくはアルゴンと酸素の混合イオンを基板に照射し、蒸着粒子が基板上をマイグレーションすることを助ける。これにより、柱状組織になりやすい多層膜を充填密度の高い多層膜に改善することができる。また、酸素イオンの照射により多層膜の酸化度を調整し、化学量論組成に近づけることも可能になる。成膜設備は可能な限り膜厚分布を良くした設計になっているが、前述したように、薄膜フィルターを構成する各層の膜は１／１０，０００から１／１００，０００の膜厚精度が要求されるため、成膜基板の全面に亘って所望のセンター波長、パスバンド、挿入損失等をもつ多層膜光学フィルターを作製することはできない。通常は基板の中央もしくは外周に沿った基板上の一部の領域から所望の薄膜固定フィルターを得ることができる。さらに、一般的には成膜時は肉厚の厚いガラス基板を用いるが、成膜後に切断、研磨作業を行うことにより薄膜固定フィルターの形状に仕上げることになる。通常、作製できる薄膜固定フィルターの波長は1回の真空バッチで所望の波長1種類だけである。薄膜フィルターのうち波長可変フィルターは、基板の半径方向に膜厚傾斜を持った多層膜を形成し、半径方向に切り出すことにより所望の波長可変フィルターを作製することができる（例えば、特許文献５）。また、２ヵ所以上の膜厚を光学式膜厚モニターで計測する方法が検討されている（例えば特許文献６）。多層膜フィルターに係る光ビームについては、例えば、非特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開平１０−１９７７２１号公報（第５頁、図１）
【特許文献２】特開平０６−２６５７２２号公報（第４〜５頁、図１、図４）
【特許文献３】特開平１１−３２６６３３号公報（第５頁、図４）
【特許文献４】特開昭６１−２９６３０５号公報（第２頁）
【特許文献５】米国特許第５８７２６５５号明細書（ＦＩＧ．３）
【特許文献６】特開２００３−１４７５２１号公報（第４頁）
【非特許文献１】吉田、矢島：「薄膜・光デバイス」、ｐ．１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の方法で薄膜フィルターを作製する場合、膜厚精度が厳しいため、基板の一部しか活用できないことが最大の課題であった。ここで、成膜中の膜厚は光量モニターにより常時計測され、蒸着原料の切り替えにフィードバックされる。また、蒸着速度は上記光量モニターとは別に水晶式膜厚モニターを用いて計測され、電子銃のエミッション電流にフィードバックされて所望の蒸着速度で成膜を行うことができる。しかし、基板上の膜厚分布を１／１０，０００から１／１００，０００の精度で均一化することは極めて困難である。通常はあらかじめ高屈折率のＴａ酸化物（Ｔａ２Ｏ５）もしくはＮｂ酸化物（Ｎｂ２Ｏ５）および低屈折率のＳｉ酸化物（ＳｉＯ２）の膜厚分布が平坦かつ両者の膜厚分布が一致するように成膜条件を調整する。しかしながら、成膜中の膜厚分布を詳細に調査した結果、膜厚分布は時々刻々と変化していることが明らかになった。このことは取りも直さず、成膜中に蒸着速度の分布が変化していることを示唆する。同様に成膜中には膜の屈折率も時々刻々と変化していることが推察された。
【０００７】
蒸着速度分布が成膜中に変化する原因を究明した結果、原料を蒸発させるにしたがって、成膜開始時の原料の形状が次第に変化することが明らかになった。原料の形状の変化は特に昇華性の原料の場合に顕著であり、例えばＳｉＯ２では最初平坦であつた原料表面が成膜時間とともに蒸発により消耗し、最終的には傾いた原料表面になることもしばしば生じた。傾いた原料表面からは傾いた方向に原料が蒸発するため、蒸着速度分布が刻々と変化することになる。一方、Ｔａ２Ｏ５のような溶融性の原料の場合は溶融表面が重力もしくは表面張力で概ね水平に保たれるため、原料は消耗してもその表面形状を大きく変化させることはなかった。さらに他の原因として、イオンガンのイオン電流密度分布も時々刻々と変化することが分かった。これは主にイオンガンのイオン電流密度分布を制御するグリッドが成膜中に汚染することが原因であり、グリッドの洗浄を行うと元に戻ることを確認した。したがって、グリッドの汚染状況により成膜中の変化だけではなく、真空バッチ毎に異なるイオン電流密度分布を発生することもあった。イオンは蒸着粒子を弾き飛ばして実効的な蒸着速度を減少するため、イオン電流密度分布が変化すると実効的な蒸着速度分布が変化することになる。
【０００８】
光学式膜厚モニターを用いることにより、基板上のモニター位置における膜厚は正確に計測することができ、所望の特性をもつ薄膜フィルターを作製することが可能になるが、基板上でも光学式膜厚モニターの測定位置以外の場所では所望の特性をもつ薄膜フィルターを作製することはできなかった。従来は光学式膜厚モニターは基板上の一つの半径位置の屈折率と膜厚の積（ｎ×ｄ）をモニターできるように設置されており、光学式膜厚モニターでモニターできる半径位置から数ｍｍ離れると、もはや所望の特性をもつ薄膜フィルターを得ることは困難であった。このとき、光学特性の劣化はセンター波長のシフトだけに留まらず、挿入損失、パスバンド、リップルにまで及んだ。このことは数十層から三百層に及ぶ多層膜全層の屈折率と膜厚の積が基板半径に対し均一に変化しているのではなく、厚さ方向にも不均一に変化していることを示す。また、膜厚方向の不均一な変化は蒸着速度分布若しくは屈折率の経時変化に基づくことは明らかである。
【０００９】
したがって、本発明は薄膜フィルター製造装置内の蒸着速度分布および屈折率分布を制御する方法を提供し、これにより一度の成膜で特性仕様を満たす薄膜固定フィルターが得られる有効領域を増大させた薄膜フィルター製造装置を提供する。また、本発明は基板半径方向に膜厚分布を傾斜させる方法を提供し、これにより複数の種類の薄膜固定フィルターを一度の真空バッチで形成する方法を提供する。さらには膜厚分布を傾斜させる方法は高性能の薄膜波長可変フィルターの形成方法および薄膜フィルター製造装置を提供する。さらに本発明は上記方法で形成した高性能な薄膜固定フィルターおよび薄膜波長可変フィルターを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは薄膜フィルター製造装置および製造方法に関して、詳細な検討を行った結果、一度の成膜において製造できる特性仕様を満たす薄膜固定フィルターの基板上の有効領域が成膜中の蒸着速度分布並びに屈折率分布の少なくとも１つ、望ましくは蒸着速度分布および屈折率分布を均一に制御することにより増大することを明らかにした。また、薄膜波長可変フィルターの製造では成膜中、膜厚分布を所定の傾斜分布に制御することにより高性能の薄膜波長可変フィルターが得られることを明らかにした。このとき、成膜中の蒸着速度分布および屈折率分布は光学式膜厚モニターを用いて回転基板上の２ヵ所以上の半径位置で計測した光ビームの光量から算出し、これをフィードバックして蒸着速度は主に回転基板と蒸着源の間に挿入した膜厚分布補正板の開口率、イオンガンのイオン電流、電子銃のエミッション電流を制御し、屈折率は主にイオンガンのビーム電圧、酸素分圧を制御すれば良いことを明らかにした。
【００１１】
従来から２ヵ所以上の膜厚を光学式膜厚モニターで計測する方法は開示されている（例えば特許文献６）。この開示された方法では白色光を薄膜に透過し、成膜による膜厚増加によって白色光の透過率が減少する現象を利用して２ヵ所以上の膜厚をモニターしている。ただし、この方法では光量が膜厚増加に伴って単調に減少するだけであり、膜厚の精密な計測を行うことは困難であり、精密な膜厚分布を求めることはできない。本発明では、光学式膜厚モニターとして、白色光源や分光器、もしくは波長可変光源やパワーメーターを一式具備し、光ビームを分岐して２ヵ所以上の半径位置の特定波長の光量をモニターしている点が異なる。特定波長をモニターすることにより、図１に示す光量の周期的な増減を観測することが可能になり、この周期が特定波長の１／４波長に相当することから精密な膜厚を計測することができ、さらには蒸着速度と屈折率を求めることが可能になる。さらに、光ビームを分岐することにより、光源の変動があっても異なる半径位置の光量差は一定に保つことが可能になり、光量から算出した蒸着速度差や屈折率差を正確に捉えることが可能になる。ただし、光源の変動をフィードバック回路を併用することにより安定化できれば、光源および受光機器を２式具備することも可能であり、この方が光量が高く、制御は容易になる。一方、２ヶ所以上の半径位置で所望の波長差を持つ異なる波長の光ビームを用いて光量をモニターする場合は分光器を２式具備もしくは波長可変光源を２式具備したシステムが望ましいが、これに限るわけではない。膜厚分布補正板の開口率とは、蒸着元素の蒸発を遮る補正体の面積が最大である状態に対して、前記面積を縮小したときの割合に相当する。
【００１２】
したがって、本発明は回転基板上に形成する膜の異なる２ヵ所以上の半径位置に、白色光ビーム或いは特定波長光を分岐投光して透過させる光学機構、前記膜の透過光によって特定波長の光量を検知する手段を具備し、前記光量に基づいて前記膜の蒸着速度および屈折率を算出する手段を具備し、蒸着速度分布乃至は屈折率分布を制御する薄膜フィルターの製造方法および製造装置を提供する。
【００１３】
ここで、光ビームの光量Ｔは下記の理論式：数１で表現できることが知られている（例えば、非特許文献１）。
【００１４】
【数１】
2005121699.tif 000003
【００１５】
【数２】
2005121699.tif 000004
【００１６】
ここで、各々は次の関係にある。
n0：媒質(0)の屈折率
n1：平行平面膜(1)の屈折率
n3：基板(3)の屈折率
【００１７】
上式を変形し、時間の関数で表現すると、モニターの透過光量は数３となり、平行平面膜の屈折率n1と蒸着速度v1で表すことができる。
【００１８】
【数３】
2005121699.tif 000005
【００１９】
モニター位置１および２において、上記透過光量を測定し、測定した透過光量を与えるn1およびv1を常時フィッティング法で計算することにより求め、モニター位置１および２におけるn1およびv1の値を比較し、その差を０に近づけるように膜厚分布補正板の開口率、イオンガンビーム電圧、イオンガンイオン電流、電子銃エミッション電流、酸素分圧等を制御することができる。これにより、モニター位置１および２における屈折率および蒸着速度をそれぞれ一致させることが可能になり、基板上の屈折率分布および膜厚分布を均一なものにすることができる。
【００２０】
モニター位置１および２における光量差から直接成膜条件にフィードバック制御を行おうとすると、光量差が１層の膜中で大きく変動するため制御アルゴリズムが複雑になり、困難である。本発明の方法では光量を屈折率と蒸着速度に変換して求めることができる。これらの値は１層の膜中で大きな動きを示さないので、その差分を用いてフィードバック制御を行うことは容易である。
【００２１】
本発明の方法を用いた結果、蒸発による原料の表面形状変化に基づく蒸着速度分布の変化だけでなく、イオンガンから照射されるイオン電流密度の経時変化に基づく蒸着速度分布の変化や真空チャンバー内のガス圧変動に基づく屈折率分布の変化が併せて制御可能になる。この結果、従来は光学式膜厚モニターが設置された半径位置近傍の狭い領域だけが有効領域であり、有効領域からはずれるとセンター波長、挿入損失、パスバンド、リップル等が仕様を満足しなかったが、本発明によりセンター波長は所望の値が得られ、挿入損失、パスバンド、リップル等の劣化は減少し、薄膜固定フィルターが得られる有効領域を拡大することができた。また、蒸着速度分布と屈折率分布の均一化に伴って、個々の薄膜固定フィルターについて見ても、膜質の向上が図られている。ウエハーから切り出した２．４ｍｍ角の面積以下の薄膜固定フィルターでは、ピーク挿入損失とリップルが同時に改善されている。
【００２２】
また、従来はパスバンドの狭い薄膜波長可変フィルターしか得られなかったが、本発明により傾斜膜の膜厚分布精度が向上し、パスバンドの広い薄膜波長可変フィルターを得ることが可能になった。したがって、高性能で生産性の高い薄膜フィルター製造方法および装置を開発することができた。
【００２３】
［１］  本発明の薄膜フィルターの製造方法は、回転基板上に形成する膜の異なる２ヵ所以上の半径位置に、白色光ビーム或いは特定波長光を分岐投光して透過させる光学機構、前記膜の透過光によって特定波長の光量を検知する手段を具備し、前記光量に基づいて前記膜の蒸着速度若しくは屈折率の少なくとも一つを算出する手段を具備し、蒸着速度分布若しくは屈折率分布の少なくとも一つを制御することを特徴とする。特に、蒸着速度若しくは屈折率を算出し、基板上の半径方向の蒸着速度分布および屈折率分布を制御することが望ましい。
【００２４】
ここで、前記膜を透過する光ビームの光量とは、特定波長の光量を指す。光ビームを発生させる光源としては、白色光源と分光器を各一式、もしくは波長可変光源とパワーメーターを各一式具備することが望ましい。白色光源と分光器を各一式、もしくは波長可変光源とパワーメーターを各一式は薄膜フィルター製造装置内に具備される回転基板上に成膜される高屈折率材料や低屈折率材料の蒸着速度および屈折率をモニターするために使用される。
【００２５】
また、２ヵ所以上の半径位置で膜厚をモニターするためには上記光源や分光器等を半径位置の数だけ必要とするが、本発明の光ビーム分岐機構を設けることにより光源系統や分光器を一式使用するだけで複数の半径位置で膜厚をモニターすることが可能になる。この方法により光源のゆらぎに基づく半径位置毎の誤差を低減することができ、蒸着速度および屈折率を各半径毎に正確に求めることが可能になる。
【００２６】
［２］  上記［１］の薄膜フィルターの製造方法において、２ヵ所以上の半径位置で常時光ビームの光量を計測し、各半径位置の光量から蒸着速度および屈折率を算出し、蒸着速度差および屈折率差を減少するように基板上の半径方向の蒸着速度分布および屈折率分布を制御することにより薄膜固定フィルターを形成することを特徴とする。
【００２７】
ここで、光ビームの光量は多層膜が成膜されるにしたがって図１のように変化する。図中の数字は多層膜の層数を示す。このとき、半径位置１では所望の膜厚が成膜され、半径位置２では６．５/１０，０００だけ薄い膜が成膜されたとすると、両者の光量差は図２に示すような変化を示す。図中の数字は多層膜の層数を示す。すなわち、光量差は１層の膜中で０から一旦増加し、その後減少して０になる。もしくは、０から一旦減少し、その後増加して０になる。したがって、１層毎にこのような複雑な変化を示す光量差を用いて蒸着速度をフィードバック制御することは困難である。本発明ではこの問題を回避するため、光ビームの光量を理論式に基づいてフィッティング法によって蒸着速度と屈折率に変換した。算出された蒸着速度および屈折率は成膜中ほぼ一定に推移するため、半径位置の異なる場所の蒸着速度差および屈折率差は１層の膜中で単調に推移する。したがって、この差分を用いて蒸着速度や屈折率をフィードバック制御することはより高精度の膜厚制御に適していると言える。
【００２８】
［３］  上記［２］の薄膜フィルターの製造方法において、２ヵ所の半径位置における光ビームの波長を所望の波長差を持つ異なる値とし、前記２ヵ所における蒸着速度と屈折率の積の比が前記２ヵ所の波長比と同等になるように蒸着速度分布および屈折率分布を制御することにより、波長の異なる複数の種類の薄膜固定フィルターを一度に形成することを特徴とする。なお、本発明において、“２ヶ所”とは、２ヶ所のみを測定している場合と、２ヶ所以上を測定した内から２ヶ所を選択して見ている場合のいずれも包含する用語として用いている。
【００２９】
ここで、２ヵ所の半径位置における光ビームの波長を所望の波長差を持つ異なる値とすることにより、各半径位置では異なる波長に対する薄膜フィルターが正確に形成される。ただし、２ヵ所の間で波長差があるため、蒸着速度乃至は屈折率の差を減少するように制御することは出来ず、蒸着速度と屈折率の積の２ヵ所の比を２ヵ所の波長比となるように制御する必要がある。この結果、基板の半径方向に膜厚傾斜を有するフィルターを形成することが可能になる。例えば、１００ＧＨｚのフィルターの場合、隣接する波長との間隔は０．８ｎｍなので、半径方向に３．２ｎｍの波長差を持たせると、４種類、すなわち４チャンネル分の薄膜固定フィルターを得ることが可能になる。
【００３０】
［４］  上記［２］に記載の薄膜フィルターの製造方法において、  ２ヵ所の半径位置における光ビームの波長を所望の波長差を持つ異なる値とし、前記２ヵ所における蒸着速度と屈折率の積の比が前記２ヵ所の波長比と同等になるように蒸着速度分布および屈折率分布を制御することにより、波長可変フィルターを形成することを特徴とする。
【００３１】
ここで、各半径位置の間ではセンター波長の異なるフィルターが連続的に形成される。すなわち、基板の半径方向に膜厚傾斜を有するフィルターを形成することが可能になり、波長可変フィルターを得ることができる。
【００３２】
［５］  上記［１］乃至［４］のいずれかに記載の薄膜フィルターの製造方法は、光ビームの光量から蒸着速度および屈折率を算出する方法が、理論式に基づき、透過光量を与える蒸着速度および屈折率を常時フィッティング法で計算することにより求めることを特徴とする。
【００３３】
成膜中の基板を透過する光ビームの光量が膜の屈折率と膜厚からなる理論式で表記できることは知られていた。しかし、本発明ではこの理論式を活用し、フィッティング法により光量を屈折率と蒸着速度に分離し、２ヵ所以上の半径位置における屈折率と蒸着速度を求めた点が新規である。この結果、２ヶ所以上の場所における屈折率と蒸着速度を直接比較することが可能になり、各位置の屈折率および蒸着速度の差分を０にするように蒸着着条件を制御することができるようになった。      
【００３４】
［６］  上記［１］乃至［５］のいずれかに記載の薄膜フィルターの製造方法は、基板上の半径方向の蒸着速度分布を制御する方法が膜厚分布補正板の開口率を変化させる方法、イオンガンのイオン電流を変化させる方法、乃至は電子銃のエミッション電流を変化させる方法から選ばれる少なくとも１種の方法であることを特徴とする。
【００３５】
ここで、従来の膜厚分布補正板はあらかじめ成膜前に必要な膜厚分布になるように補正板の幅を調整し、成膜中は幅が固定されたものであるが、本発明の補正板は常時幅を変化させることが可能であり、成膜中も膜厚モニターからフィードバックされた信号によって制御することができる。幅を変えることにより開口率も変化させることができる。
【００３６】
一方、電子銃のエミッション電流を変化させ、蒸着源の蒸発速度を変えて蒸着速度分布を制御する方法や、イオンガンのイオン電流を変えて蒸着速度分布を制御する方法を用いることもできる。一般的には蒸着源の蒸発速度を高めると基板の中央部の蒸着速度が高くなり、イオンガンのイオン電流を高めると基板周辺部の蒸着速度が高くなる傾向を持つ。
【００３７】
［７］  上記［１］乃至［５］のいずれかに記載の薄膜フィルターの製造方法は、基板上の半径方向の屈折率分布を制御する方法がイオンガンのビーム電圧を変化させる方法、若しくは酸素分圧を変化させる方法から選ばれる少なくとも１種の方法であることを特徴とする。ここで、イオンガンのビーム電圧を変化させることにより、膜の屈折率とその分布を変えることが可能である。また、酸素分圧を変えることにより屈折率を制御することができる。
【００３８】
［８］  本発明の薄膜固定フィルターは、複数の高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層した誘電体多層膜を備える多層膜光学フィルターであって、寸法が１．５×１．５×１．５ｍｍ以下であり、１００ＧＨｚ対応のピーク挿入損失が０．１ｄＢ以下、リップルが０．１ｄＢ以下、パスバンドが−０．５ｄＢで０．６ｎｍ以上あることを特徴とする。より好ましくは、上記［１］、［２］、［３］、［５］、［６］または［７］のいずれかに記載の薄膜フィルターの製造方法により製造した薄膜フィルターであって、１００ＧＨｚ対応固定フィルターのピーク挿入損失が０．１ｄＢ以下、リップルが０．１ｄＢ以下、パスバンドが−０．５ｄＢで０．６ｎｍ以上あることを特徴とする。
【００３９】
ここで、薄膜フィルターの特性はフィルターを構成する各層の膜厚および屈折率が高精度で制御されることにより、初めて良好な特性が得られる。本発明の方法で作製した薄膜固定フィルターは基板直上の初層から最表面層まで、異なる半径位置の間で、蒸着速度と屈折率によって制御されており、極めて精度良く成膜することが可能である。この結果として、上記の高特性が得られる。
【００４０】
前記薄膜固定フィルターは、例えば、ＤＷＤＭ用１００ＧＨｚ以下の波長ピッチに対応し、４キャビティ以上、１００層以上の多層膜を備える構成にすることができる。キャビティとは、積層される多層膜のうち、１／２波長若しくはその整数倍波長の積層体からなるスペーサーと１／４波長の積層体からなる一対のミラーから構成される光学共鳴体である。このキャビティが４段重なったものが４キャビティの多層膜である。より詳細には、複数の高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層した誘電体多層膜を備える多層膜光学フィルターであって、誘電体多層膜が酸化ケイ素と五酸化タンタルもしくは五酸化ニオブの少なくとも一つから選ばれる材料で構成されることを特徴とする。この前記薄膜固定フィルターを搭載することにより、損失を抑制した光合分波器を構成することができる。
【００４１】
［９］  本発明の波長可変フィルターは、膜厚を傾斜させて成膜した誘電体多層膜を有する波長可変フィルターであって、寸法が１０×３０×５．０ｍｍ以下であり、１００ＧＨｚ対応のパスバンドが−０．５ｄＢで０．４ｎｍ以上あることを特徴とする。より好ましくは、上記［１］［４］［５］［６］または［７］のいずれかに記載の薄膜フィルターの製造方法により製造した薄膜フィルターであって１００ＧＨｚ対応波長可変フィルターのパスバンドが−０．５ｄＢで０．４ｎｍ以上あることを特徴とする。
【００４２】
ここで、一般的な波長可変フィルターは約２０ｍｍの長さの短冊状の基板に膜厚傾斜して成膜した薄膜フィルターである。膜厚傾斜と短冊状の長さが長いことが原因となり、−０．５ｄＢのパスバンドを０．３ｎｍ以上に改善することは困難であった。本発明により傾斜膜の膜厚分布を精密に制御することが可能となり、−０．５ｄＢのパスバンドを０．４ｎｍ以上とすることが可能になった。
【００４３】
膜厚を傾斜させて成膜した誘電体多層膜を有する波長可変フィルターは、前記誘電体多層膜に隣接して反射鏡を有する構成にすることができる。前記反射鏡は、信号を伝送する光ビームが初期の光ビーム位置から可変先の光ビーム位置へ移動する際通過する際に光路として用いることができる。
【００４４】
［１０］  本発明の他の薄膜固定フィルターは、複数の高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層した誘電体多層膜を備える多層膜光学フィルターであって、寸法が２．４×２．４×２．４ｍｍ以下であり、より好ましくは、５０ＧＨｚ対応のピーク挿入損失が０．１ｄＢ以下、リップルが０．１ｄＢ以下、パスバンドが−０．５ｄＢで０．２８ｎｍ以上あることを特徴とする。より好ましくは、上記［１］、［２］、［３］、［５］、［６］または［７］のいずれかに記載の薄膜フィルターの製造方法により製造した薄膜フィルターであって、５０ＧＨｚ対応固定フィルターのピーク挿入損失が０．１ｄＢ以下、リップルが０．１ｄＢ以下、パスバンドが−０．５ｄＢで０．２８ｎｍ以上あることを特徴とする。
【００４５】
ここで、本発明の方法で作製した薄膜固定フィルターは基板直上の初層から最表面層まで、異なる半径位置の間で、蒸着速度と屈折率によって制御されており、極めて精度良く成膜することが可能である。この成膜方法を用いることにより、特に膜厚精度の厳しい５０ＧＨｚ対応固定フィルターの特性を著しく向上することが可能になった。
【００４６】
［１１］  本発明の他の波長可変フィルターは、膜厚を傾斜させて成膜した誘電体多層膜を有する波長可変フィルターであって、寸法が１０×３０×５．０ｍｍ以下であり、５０ＧＨｚ対応のパスバンドが−０．５ｄＢで０．２ｎｍ以上あることを特徴とする。より好ましくは、上記［１］、［４］、［５］、［６］または［７］のいずれかに記載の薄膜フィルターの製造方法により製造した薄膜フィルターであって５０ＧＨｚ対応波長可変フィルターのパスバンドが−０．５ｄＢで０．２ｎｍ以上あることを特徴とする。
【００４７】
ここで、一般的な波長可変フィルターは約２０ｍｍの長さの短冊状の基板に膜厚傾斜して成膜した薄膜フィルターである。従来の成膜方法では５０ＧＨｚ対応波長可変フィルターを形成することがほとんど不可能であり、−０．５ｄＢのパスバンドを０．１ｎｍ以上に改善することは困難であった。本発明により傾斜膜の膜厚分布を精密に制御することが初めて可能となり、−０．５ｄＢのパスバンドを０．２ｎｍ以上とすることが可能になった。
【発明の効果】
【００４８】
以上説明した通り、この発明に係る薄膜フィルター製造方法および装置は、フィルター基板の幅広い半径位置に亘って高性能かつセンター波長の揃った薄膜固定フィルターを提供する。この結果、１真空バッチあたりの収量を従来法に比較して格段に増加した。さらに、本発明は所望の異なるモニター波長を用いることにより、半径方向に膜厚傾斜のある薄膜フィルターを作製でき、１真空バッチで複数チャンネルの薄膜固定フィルターを生産する方法を提供する。さらに、この膜厚傾斜を持つ薄膜フィルターは薄膜波長可変フィルターになり、パスバンドの広いフラットトップな特性を有する高性能な薄膜波長可変フィルターを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
本発明を実施例に基づき詳しく説明する。なお、本発明はこれら実施例により必ずしも限定されるものではない。
【実施例】
【００５０】
（実施例１）
薄膜フィルターは次の工程で製造した。裏面に反射防止膜４を形成した板厚が７ｍｍの洗浄ガラス基板を成膜基板３として成膜装置に装填し、真空度を６．７×１０−４Ｐａ（≒約５×１０−６Ｔｏｒｒ）以下に排気した後、成膜を開始した。ガラス基板の板厚は、例えば５〜１２ｍｍの範囲内のものを用いることができる。本実施例で作製した薄膜フィルターは図３に示すＤＷＤＭ用狭帯域フィルター（ＮＢＰＦ）であり、その基本構造はミラーになる１／４波長積層体１と、スペーサーになる１／２波長もしくはその整数倍層２を積層数＝１６４層で積層した。なお、積層数は百数十層から三百数十層の範囲で変えることができる。
【００５１】
ここで、ミラーになる１／４波長積層体１はＴａ酸化物（Ｔａ２Ｏ５）もしくはＮｂ酸化物（Ｎｂ２Ｏ５）からなる光学膜厚が１／４波長の高屈折率誘電体層と、Ｓｉ酸化物（ＳｉＯ２）からなる光学膜厚が１／４波長の低屈折率誘電体層を交互に積層した構造である。また、スペーサーになる１／２波長もしくはその整数倍層２はＳｉ酸化物からなる光学膜厚が１／２波長もしくはその整数倍の低屈折率誘電体層、あるいはＴａ酸化物もしくはＮｂ酸化物からなる光学膜厚が１／２波長もしくはその整数倍の高屈折率誘電体層である。なお、図３の断面図は、連続した積層回数が多いため、途中の積層状態の図示を省略した。
【００５２】
誘電体多層膜の成膜には、薄膜フィルター製造装置として、図４の断面図に示すイオンアシスト蒸着装置を用いた。イオンアシスト蒸着装置では、チャンバー内で前述の誘電体多層膜を構成する高屈折率材料および低屈折率材料をリング状の蒸着源ハース６内に装填し、電子銃５から電子線を照射することにより両原料を交互に蒸発させ、蒸着源シャッター７と基板シャッター９を開き、ガラス基板８に成膜させた。このとき、同時にアシスト用のイオンガン１２を用いて酸素イオンもしくはアルゴンと酸素の混合イオンをガラス基板８に照射し、蒸着粒子がガラス基板８上をマイグレーションすることを助けた。これにより、柱状組織になりやすい多層膜を充填密度の高い多層膜に改善することができた。本実施例ではイオンガン１２の加速電圧を５００〜９００Ｖとし、均一で充填密度の高い薄膜フィルター膜を得ることができた。
【００５３】
図４では、電子線の軌道を太い点線で表し、原料の蒸発する向きを細い点線で表した。ガラス基板８を保持する部材は、高速基板回転モーター１１により回転させた。誘電体多層膜を構成する各々の誘電体膜の厚さは、水晶式膜厚モニター１０で測定した。ガラス基板８上に形成された多層膜の厚さは、光学式膜厚モニター投光部１３から照射された光を、多層膜を成膜したガラス基板を透過させ、透過光を光学式膜厚モニター受光部１４で受けることにより、測定した。図４のチャンバーの右側（白抜き矢印で示した側）には真空排気装置を接続しているが、その図示は省略した。
【００５４】
図５は、薄膜フィルター製造装置で用いる光学式膜厚モニターを示す概略図である。光学式膜厚モニターは白色光源と分光器を用いた構成例である。成膜中の膜厚は図５に示すように、ハロゲンランプ２２の白色光を光ビーム分岐機構２３−１および光学式膜厚モニター投光部１３―１、１３−２を介して成膜中の多層膜及び高速回転しているガラス基板８に透過させ、透過光を光学式膜厚モニター受光部１４−１、１４−２および光ビーム合体機構２３−２を介し、さらに光ファイバ１８を介して分光器１９（光を分光し、波長毎の光強度を電気信号に変換し、光量を検出するもの）で測定することにより、モニタリングを行った。ここで、光ビーム分岐機構を用いると、光源や分光器が一式でも２か所以上の半径位置へ光ビームを投光することができ、異なる半径位置の光量をモニターすることが可能になる。光量演算・制御用コンピューター２０は、分光器１９の電気信号を入力してモニターを行うと共に、ハロゲンランプに接続したランプ用電源２１を制御し、光量変動を抑制するものである。
【００５５】
さらに、光量演算・制御用コンピューター２０は、蒸着源１６において、リング状の蒸着源ハース、電子銃、シャッター、さらにはイオンガンを制御するが、それらとの接続状態の図示は省略した。また、白色光源と分光器の組合わせの他、波長可変光源とパワーメーターの組合わせでも同様に成膜中の多層膜及び高速回転しているガラス基板８に光ビームを透過させ、透過光量を検出することができる。ここで、光源と受光系を一式具備して、光ビームを分岐する方法は光源や受光系の変動をキャンセルし、異なる半径位置の信号を比較する際は有利である。ただし、分岐のため光量は減少するので、多層膜の内、スペーサー近傍の層では光量が不足する懸念がある。この場合は光量の少ない層だけ光ビームの分岐を中止し、メインの半径位置にだけ光ビームを透過させて、蒸着原料の交換制御を精度良く行うことが望ましい。もちろん光源と受光系を２式以上具備し、各々光量を計測し、光量から蒸着速度や屈折率を算出することも可能である。この場合は十分な光量が得られるので、膜厚制御は容易になるが、各光ビーム毎に変動が発生する恐れがあり、各光ビームから得られる信号を比較する際、変動もしくはノイズの除去を考慮する必要が生じる。
【００５６】
具体的には、透過光は図１に示したように、多層膜の一層の光学的膜厚が１／４波長毎に透過と反射を繰り返すため、透過光の光量をモニターすることにより、光量の極大値もしくは極小値から１層の膜の終点を検知し、蒸着原料を交換することにより交互に高屈折率膜と低屈折率膜を製膜した。一般的には光量の変化から極大値もしくは極小値になる時刻をカーブフィッティング法により求め、この時刻で蒸着原料を交換する。一方、本発明では光量を理論式に基づいて、蒸着速度および屈折率に分解し、理論式から光量の極大値もしくは極小値を再計算して蒸着源の交換時刻を判断した。この結果、各層の膜厚を高精度に成膜することができ、所望の薄膜フィルターを作製することができた。
【００５７】
薄膜フィルターを安定に生産するためには図５に示したように、ガラス基板８を透過する光ビームを２系統以上とすることが好ましい。すなわちガラス基板８の半径方向に誘電体多層膜の膜厚を均一に制御して薄膜フィルターを生産する場合も、半径方向に誘電体多層膜の膜厚を傾斜するように制御して薄膜波長可変フィルターを生産する場合も、２つ以上の半径位置で膜厚をモニターすることが望ましい。さらに、この２つ以上の光学式膜厚モニターから出力した信号をフィードバックし、ガラス基板８と蒸着源１６の間に挿入した膜厚分布補正板１７の開口率を変化させることにより、さらに高精度の均一膜や傾斜膜を基板上に形成することが可能になる。
【００５８】
本実施例の薄膜フィルター製造装置では、成膜中に２か所以上の半径位置で光学式膜厚モニターの光ビームを透過し、透過光量を測定した。図６は従来の光ビームが１系統の場合の膜厚分布の例を示す模式図である。また、図７は本発明の２系統の光ビームを用いた場合の膜厚分布を示す模式図である。各半径位置の透過光量は光ビーム分岐機構を用いて常時もしくは必要に応じて、各半径位置の透過光量をモニターした。このとき、光量モニターの内の一つ、例えば光量モニター１は蒸着源交換制御用モニターとし、常に光量をモニターし、光量変化からこの半径位置の光量が極大値もしくは極小値に達する時刻を演算し、その時刻を予測した。この予測時刻に達した時、蒸着原料を切り替え、誘電体多層膜を形成した。さらに、他の光量モニター、例えば光量モニター２は蒸着速度分布および屈折率分布制御用モニターとし、蒸着源交換制御用モニターのモニター値との差を求め、この差を減少する方向に蒸着速度分布および屈折率分布を制御した。
【００５９】
図１は光量モニターが示す光量変化を示した結果である。図は１キャビティ前半のフィルターを成膜する場合の光量変化結果であるが、各多層膜の光学膜厚がモニター波長の１／４に達すると光量は極大値もしくは極小値を取る。より具体的には、この時点で蒸着原料を切り替え、次の層の形成を開始する。再び光量が極大値もしくは極小値を取ると再び蒸着原料を切り替えて、次の層の成膜に移る。多キャビティの場合はこの１キャビティの光量変化を繰り返すことになる。このようにして形成した多キャビティの薄膜フイルターはモニター波長と同等のセンター波長を有することになる。
【００６０】
半径位置１を蒸着源交換制御用モニターとし、半径位置２を蒸着速度分布および屈折率分布制御用モニターとした場合の制御アルゴリズムを、簡単のために２箇所の半径位置にモニターがあるものとして説明する。また、本実施例では半径位置１は半径５０ｍｍ、半径位置２は半径１２０ｍｍに設定した。半径位置１では光量変化から多項式近似や光量変化の微分値を利用して光量が極大値もしくは極小値になる時刻を常に予測し、蒸着原料を切り替える時刻の指示を出す。
【００６１】
また、理論式に基づいて蒸着速度、屈折率および成膜時間から光量が極大値もしくは極小値になる時刻を常に予測し、蒸着原料を切り替える時刻の指示を出す方法はさらに望ましい。並行して半径位置２でも光ビームの光量をモニターし、光量から算出した蒸着速度および屈折率を半径位置１の値と常に比較し、蒸着速度差乃至は屈折率差を減少させる方向に分布補正板の開口率、イオガンのイオン電流、電子銃のエミッション電流、イオンガンのビーム電圧、酸素分圧を調整するように指示を出し、半径位置１と半径位置２の蒸着速度と屈折率を同等になるように制御した。
【００６２】
図８には半径位置１と半径位置２の蒸着速度差および屈折率差の測定例を示す。この図は蒸着速度分布および屈折率分布を制御する前の差を示している。図から明らかなように、図２に示した光量差と異なり、蒸着速度差および屈折率差は単調増加もしくは単調減少を示し、各々の値をフィードバック制御により減少させることは容易である。なお、本実施例では、蒸着速度分布の改善には主に分布補正板の開口率、イオガンのイオン電流、電子銃のエミッション電流の制御が有効であった。分布補正板は開口率を増加した半径位置の蒸着速度が増加、イオンガンのイオン電流を増加すると基板内周部の蒸着速度が減少、電子銃のエミッション電流を増加すると基板内周部の蒸着速度が増加する傾向があった。
【００６３】
また、屈折率分布の改善にはイオンガンのビーム電圧と酸素分圧の制御が有効であった。イオンガンのビーム電圧を増加すると基板内周部の屈折率が増加、酸素分圧を増加すると基板全体に屈折率が減少する傾向があった。この結果、半径位置１と半径位置２の間の半径では均一な光学膜厚（屈折率と膜厚の積）分布が得られた。この結果、図９に示すように、得られたフィルター基板は半径位置１（半径５０ｍｍ）と半径位置２（半径１２０ｍｍ）の間ではセンター波長の変化幅が半径７０ｍｍ以上に亘って０．５ｎｍ以下、また半径１０ｍｍ以上に亘って０．１ｎｍ以下であった。このとき、各半径位置における光量の検出は光量変動を抑制する処理を行っても、少なくとも毎秒１回行うことが望ましかった。
【００６４】
成膜が完了した薄膜フィルター基板は裏面を研磨し、板厚１ｍｍとした後、裏面に反射防止膜を形成し、１．４ｍｍ角のフィルターチップに切断加工した。得られた５キャビティからなる１００ＧＨｚ対応薄膜固定フィルターの分光特性を光学特性検査装置を用いて評価した結果、図１０に示すようなフラットトップな分光波形を示し、そのピーク挿入損失は０．１ｄＢ以下、リップルは０．１ｄＢ以下、パスバンドは０．６ｎｍ以上の優れた分光特性を示した。また、フィルターチップの面内の分光特性を詳細に調べた結果、挿入損失はチップの中心から外側へ行くにしたがって増加の傾向を持つが、変化は緩やかな単調増加であり、多層膜の膜厚および屈折率がチップ面内で極めて均一に成膜されたことを示した。センター波長についても同様であり、センター波長はチップの中心から外側へ行くにしたがって緩やかな単調減少を示した。これらの緩やかな変化はチップに加工することにより、チップ外側（チップ周辺）から内部応力が開放され、膜厚変化が生じることにより発生するが、多層膜の膜厚および屈折率がチップ面内で極めて均一であることにより緩やかな変化となったものである。従来の不均一な多層膜では往々にして、急峻な変化やチップ中心に対して非対称な特性変化を示したが、本発明のフィルターチップでは改善された。この結果は本発明の方法および装置を用いることにより、基板直上の層から表面層に至るまで、一昼夜の長時間の成膜においても安定に蒸着速度および屈折率を制御することができ、全層が正確に理論通りの膜厚および屈折率になったことを示唆する。また、本実施例では所望のセンター波長を有する薄膜固定フィルターを形成することができ、その収量は光量モニターが一式の従来法に比べ２倍以上に増加した。
【００６５】
一方、同様に６キャビティからなる薄膜フィルターを成膜し、裏面を研磨し、板厚１．９ｍｍとした後、裏面に反射防止膜を形成し、２．３ｍｍ角のフィルターチップに切断加工した。得られた５０ＧＨｚ対応薄膜固定フィルターの分光特性を光学特性検査装置を用いて評価した結果、１００ＧＨｚフィルターと同様にフラットトップな分光波形を示し、そのピーク挿入損失は０．１ｄＢ以下、リップルは０．１ｄＢ以下、−０．５ｄＢのパスバンドは０．２８ｎｍ以上の優れた分光特性を示した。また、フィルターチップの面内の分光特性を詳細に調べた結果、挿入損失はチップの中心から外側へ行くにしたがって緩やかな単調増加を示し、センター波長はチップの中心から外側へ行くにしたがって緩やかな単調減少を示した。これらの緩やかな変化は内部応力が開放され、膜厚変化が生じることにより発生するが、本発明のフィルターチップでは多層膜の膜厚および屈折率がチップ面内で極めて均一であったことを示すものである。この結果は本発明の方法および装置を用いることにより、基板直上の層から表面層に至るまで、一昼夜に及ぶ長時間の成膜においても安定に蒸着速度および屈折率を制御することができ、全層が正確に理論通りの膜厚および屈折率になったことを示唆する。また、本実施例では所望のセンター波長を有する薄膜固定フィルターを形成することができ、その収量は光量モニターが一式の従来法に比べ２倍以上に増加した。
【００６６】
（実施例２）
実施例１において、薄膜フィルターを次の方法および装置で作製した。蒸着速度分布および屈折率分布の制御方法において、半径位置１でモニターする光ビームの波長と半径位置２でモニターする光ビームの波長を１０ｎｍ以下の波長差を持つ異なる値とした。すなわち、半径位置１では光量変化を測定し、理論式に基づいて蒸着速度、屈折率および成膜時間から光量が極大値もしくは極小値になる時刻を常に予測し、蒸着原料を切り替える時刻の指示を出す。並行して半径位置２では半径位置１と異なる波長で光量をモニターし、光量から蒸着速度および屈折率を算出する。この２ヵ所における蒸着速度と屈折率の積の比を２ヵ所の波長比と同等になるように分布補正板の開口率、イオガンのイオン電流、電子銃のエミッション電流、イオンガンのビーム電圧、酸素分圧を制御した。図１１に示すように、得られたフィルター基板は半径位置１と半径位置２の半径７０ｍｍの間でセンター波長が３．８ｎｍ変化した。この結果は隣接する波長との間隔が０．８ｎｍである１００ＧＨｚフィルターが４チャンネル分含まれており、基板を切断し、１．４ｍｍ角のチップに加工することにより、４種類の薄膜固定フィルターを一度の真空バッチで作製することができた。
【００６７】
（実施例３）
実施例１において、薄膜フィルターを次の方法および装置で作製した。蒸着速度分布および屈折率分布の制御方法において、半径位置１でモニターする光ビームの波長と半径位置２でモニターする光ビームの波長を１０ｎｍ以上、望むらくは３０ｎｍ以上の波長差を持つ異なる値とした。すなわち、半径位置１では光量変化を測定し、理論式に基づいて蒸着速度、屈折率および成膜時間から光量が極大値もしくは極小値になる時刻を常に予測し、蒸着原料を切り替える時刻の指示を出す。並行して半径位置２では半径位置１と異なる波長で光量をモニターし、光量から蒸着速度および屈折率を算出する。この２ヵ所における蒸着速度と屈折率の積の比を２ヵ所の波長比と同等になるように分布補正板の開口率、イオンガンのイオン電流、電子銃のエミッション電流、イオンガンのビーム電圧、酸素分圧を制御した。
【００６８】
半径９０ｍｍと半径１２０ｍｍの位置でモニター波長差を３５ｎｍとして作製した薄膜フィルター基板を裏面研磨し、板厚３ｍｍとした後、裏面に反射防止膜を形成し、幅５ｍｍ、長さ３５ｍｍの短冊状フィルターに切断加工した。ここで半径方向がフィルターの長手方向になるように切断した。得られた薄膜フィルターは１００ＧＨｚ対応波長可変フィルターであり、長さ３０ｍｍの間で３５ｎｍのセンター波長差を有する。このようにして作製した波長可変フィルターの側面図を図１２に示す。この図では波長可変フィルター２６と反射防止膜２５の膜厚をガラス基板２４に比較して拡大して図示している。波長可変フィルターを透過する光ビームの分光特性は薄膜の膜厚に比例してセンター波長が連続的に変化する。この結果、図に示すように、半径位置１では半径位置１のモニター波長をセンター波長とする薄膜フィルターが得られ、半径位置２では半径位置２のモニター波長をセンター波長とする薄膜フィルターが得られた。また、半径位置１と半径位置２の間の半径位置では連続的に両者の間のセンター波長を有する薄膜フィルターが得られた。したがって、所望の半径位置を選択することにより所望のセンター波長を持つチャンネルを選ぶことが可能になった。図中、矢印は光量モニター１、２の光ビーム２７、２８の透過方向を表す。
【００６９】
図１３には得られた波長可変フィルターの分光特性の例を示す。図は５キャビティからなる１００ＧＨｚ対応波長可変フィルターを示し、−０．５ｄＢのパスバンドが０．４ｎｍ以上のフラットトップな波長可変フィルターが得られた。固定フィルターに比べて−０．５ｄＢのパスバンドが減少する理由はビームスポット内でフィルター膜厚が傾斜しているため、センター波長の異なる狭帯域特性が重なり、平均化されたためと推察される。それにしても従来の波長可変フィルターの分光特性に比較すると大幅な改善である。図１４にはこの薄膜波長可変フィルターを用いて作製した波長可変フィルターモジュールの一例を示す。波長可変フィルターモジュールは入力ポート２９、ドロップポート３０、反射光の出力ポート３１、ステッピングモーター３２、波長可変フィルター３３、駆動系３４を具備し、入力ポート２９から入射した光ビームは波長可変フィルター３３を介して所望のチャンネル（波長）をドロップポート３０へ出力する。一方、所望のチャンネル以外の波長を持つ光ビームは全て波長可変フィルター３３で反射されて反射光の出力ポート３１へ出射される。このとき、ステッピングモーター３２を稼動させ、駆動系３４を介して波長可変フィルター３３を移動させることにより、チャンネルを切り替えることができる。ここではいわゆる３ポート型の波長可変フィルターモジュールを示した。
【００７０】
図１５には本実施例の波長可変フィルターモジュールのドロップポート３０から出射した光ビームの分光特性を測定し、そのセンター波長をステッピングモーター３２を稼動するポテンショメーターの電圧に対してプロットした例を示す。図から明らかなように、ポテンショメーターの電圧が増加するに伴って、センター波長は単調に増加し、ドロップポート３０から出力される光ビームのセンター波長、すなわちチャンネルが連続的に切り替えられることを示した。
【００７１】
同様に６キャビティからなる薄膜フィルターを半径９０ｍｍと半径１２０ｍｍの位置でモニター波長差を２０ｎｍとして作製した。この薄膜フィルター基板を裏面研磨し、板厚３ｍｍとした後、裏面に反射防止膜を形成し、幅５ｍｍ、長さ３５ｍｍの短冊状フィルターに切断加工した。ここで半径方向がフィルターの長手方向になるように切断した。得られた薄膜フィルターは５０ＧＨｚ対応波長可変フィルターであり、長さ３０ｍｍの間で２０ｎｍのセンター波長差を有する。この６キャビティからなる５０ＧＨｚ対応波長可変フィルターを光学特性検査装置を用いて評価した結果、−０．５ｄＢのパスバンドが０．２ｎｍ以上のフラットトップな波長可変フィルター特性を示した。従来は５０ＧＨｚ対応波長可変フィルターの作製は殊のほか困難であったが、本発明の方法を用いることにより、フラットトップな波長可変特性を得ることが可能になった。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は光通信システム等で使用される誘電体薄膜フィルターおよびその製造方法に利用することができる。さらに詳しくは薄膜固定フィルターおよび薄膜波長可変フィルターに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】多キャビティフィルターを成膜するとき、光量モニターが示す光量変化を示す図である。
【図２】半径位置１と半径位置２における光ビームの光量差を示す図である。
【図３】多キャビティのバンドパスフィルターを構成する誘電体多層膜構造を示す断面図である。
【図４】本実施例で使用した多層膜光学フィルター形成装置を示す断面図である。
【図５】本実施例で使用した光学式膜厚モニターの構成を示す概略図である。
【図６】従来法における半径位置１ヵ所に光量モニターを設置し、膜厚制御した場合の膜厚分布を示す模式図である。
【図７】本実施例で使用した半径位置２箇所に光量モニターを設置し、膜厚制御した場合の膜厚分布を示す模式図である。
【図８】多キャビティフィルターを成膜するとき、光量モニターが示す光量変化から蒸着速度および屈折率をフィッティング法により算出し、半径位置２箇所の蒸着速度差と屈折率差を表示した図である。
【図９】本実施例で作製した薄膜フィルター基板の半径方向のセンター波長変化の一例を示す図である。
【図１０】本実施例で作製した５キャビティからなる薄膜固定フィルターの分光波形を示す図である。
【図１１】本実施例で作製した他の薄膜フィルター基板の半径方向のセンター波長変化の一例を示す図である。この波長範囲に４チャンネル分が含まれる。
【図１２】本実施例で作製した膜厚傾斜を持つ薄膜フィルターを示す側面図である。
【図１３】本実施例で作製した５キャビティからなる薄膜波長可変フィルターの分光特性の一例を示す図である。
【図１４】本実施例で作製した３ポート型の波長可変フィルターモジュールの構成を示す平面図である。
【図１５】本実施例で作製した波長可変フィルターモジュールのドロップポートから出力された光ビームの分光特性から求めたセンター波長とステッピングモーターを稼動するポテンショメーターの電圧の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
１  ミラーになる１／４波長積層体、
２  スペーサーになる１／２波長もしくはその整数倍層、
３  成膜基板、  ４  反射防止膜、  ５  電子銃、  ６  蒸着源ハース、
７  蒸着源シャッター、  ８  ガラス基板、  ９  基板シャッター、
１０  水晶式膜厚モニター、  １１  高速基板回転モーター、
１２  イオンガン、
１３，１３―１，１３―２  光学式膜厚モニター投光部、
１４，１４―１，１４―２  光学式膜厚モニター受光部、
１５  チャンバー壁、  １６  蒸着源、  １７  膜厚分布補正板、
１８  光ファイバー、  １９  分光器、
２０  光量演算・制御用コンピューター、
２１  ランプ用電源、  ２２  白色光源、
２３―１  光ビーム分岐機構、
２３―２  光ビーム合体機構、
２４  ガラス基板、
２５  反射防止膜、  ２６  膜厚傾斜フィルター薄膜、
２７  半径位置１の光ビーム、  ２８  半径位置２の光ビーム、
２９  入力ポート、  ３０  ドロップポート、  ３１  反射光の出力ポート、
３２  ステッピングモーター、  ３３  波長可変フィルター、
３４  駆動系、  ３５  固定分布補正板、３６  可変分布補正板、
３７  分布補正板回転軸、  ３８  ボールギア、
３９  ステッピングモーター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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